基于平衡轨道模型和CFD的旋风分离器除尘特性分析论文.pdf

机械 2011 年第 11 期 总第 38 卷 设计与研究 9 收稿日期：20110226 基金项目：江苏省自然科学基金项目（bk2008576） 作者简介：李成林（1985） ，男，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向为特种车辆设计与制造技术。 基于平衡轨道模型和 cfd 的 旋风分离器除尘特性分析 李成林 1，王琪1,2，吴中连2，单烈2 （1.江苏科技大学 机械工程学院， 江苏 镇江 212003； 2.江苏悦达专用车有限公司， 江苏 盐城 224002） 摘要：运用平衡轨道模型（barth 模型）和计算流体力学仿真分析技术（cfd），对全吸式干湿两用扫 路车用旋风分离器的除尘性能进行了理论计算和仿真分析。主要从旋风分离器的除尘效率方面，对其初 始设计方案进行了评价。通过相关的理论模型计算，得到了该型旋风分离器的分级效率曲线。通过数值 仿真分析，得到了不同粒径的颗粒在旋风分离器内部的停留时间。最后将模型计算和仿真分析的结果进 行了对比验证。同时，也为该型旋风分离器下一步的实际应用提供了理论依据。 关键词：旋风分离器；平衡轨道模型；cfd；除尘效率；切割粒径 中图分类号：u418.6+1 文献标识码：a 文章编号：10060316 (2011) 11000905 analyzing of dust removal characteristics for the cyclone separator based on the equilibrium orbit model and cfd li cheng-lin1，wang qi1,2，wu zhong-lian2，shan lie2 ( 1.school of mechanical engineering, jiangsu university of science and technology, zhenjiang 212003, china; 2.jiangsu yueda special vehicle co., ltd., yancheng 224002, china ) abstract：we are using the equilibrium orbit model ( barth model) and the computational fluid dynamics (cfd) technology to calculate and simulate dust removal performance of the cyclone separator in wet and dry suctions sweep road car. from the dust removal efficiency, initial design scheme is evaluated. through the calculation, we get the grade efficiency curve of the cyclone separator. through the simulation, we get the particle residence time of different size. at last, we compare the results of computing and simulation.the results provide the theoretical basis for next application. key words：cyclone separator；equilibrium orbit model；cfd；dust removal efficiency；cutting size 颗粒污染物是城市大气污染的首要污染 物，其中交通扬尘对颗粒物浓度的影响最大。 通过对国内外多种清扫车的排放浓度和吸尘 效率进行测试研究表明， 采用先进的清扫设备 可以有效地控制交通扬尘1。 全吸式干湿两用扫路车具有吸扫效率高、 能耗低、环保性好，无二次扬尘，全天候，成 本低且适应性强的特点。 特别适合干旱少雨或 连绵阴雨的地区。从功能上，彻底解决了二次 扬尘和二次排尘所造成的环境污染。因此，全 吸式干湿两用扫路车具有广阔的发展前景和 极高的实用价值。 10 设计与研究 机械 2011 年第 11 期 总第 38 卷 旋风分离器作为全吸式干湿两用扫路车 除尘系统的关键部件， 对于提高除尘效率和实 现整个气路系统的功能都有决定性的作用。 经 过初步设计的旋风分离器， 依据现有的理论模 型对其除尘性能进行理论计算并结合流场仿 真分析技术加以验证， 可以有效地对旋风分离 器的主要性能指标进行评价。 本文着重研究旋风分离器的除尘效率和 可分离的最小颗粒（包括固体粉尘和液滴）粒 径切割粒径。采取理论模型计算和 cfd 相结合的方法进行研究。首先，应用旋风分离 器的平衡轨道模型（barth 模型），对初步设 计的旋风分离器的分离效率和切割粒径进行 计算。然后，在三维建模软件中对初步的设计 方案进行建模，然后导入到 cfd 软件中进行 分析。 通过这样的方法对设计方案的性能进行 评价，可以有效地减少试验的重复次数，降低 设计成本，缩短设计周期。 1 工作原理与平衡轨道模型概述2 （1）旋风分离器的工作原理 含尘气体由旋风分离器进气口沿切线方 向进入分离器内部后， 气流沿外壁从上向下作 旋转运动， 通常称这股旋转向下的气流为外漩 涡。外漩涡到达锥体底部后，转而向上，沿轴 心向上旋转，最后从排气管排出。这股向上旋 转的气流称为内漩涡。 内、外涡旋的旋转方向相同。含尘气体中 的尘粒在气流旋转过程中受到离心力的作用， 而向旋风分离器的外壁运动。 到达外壁的尘粒 在下旋气流和重力的共同作用下沿壁面落入 灰斗而分离出来。 （2）旋风分离器的平衡轨道模型 如图 1 所示， 将旋风分离器的升气管向下 延伸到旋风分离器的底部形成一个圆柱面 cs，“平衡轨道” 模型是对于半径为 rx0.5dx 圆柱面 cs上的旋转颗粒建立力的平衡分析得 到的，即在此圆柱面 cs 上的旋转颗粒同时受 到向外的离心力与向内流动气流的阻力， 两力 之间形成平衡。由于离心力正比于颗粒质量， 即正比于 x3；而阻力（斯托克斯力）正比于粒 径 x，结果较大粒径的颗粒在离心力的作用下 向旋风分离器器壁运动被捕集， 而较小粒径的 颗粒则被带入升气管而逃逸， 处于平衡位置的 颗粒（在圆柱面 cs“平衡轨道”上的颗粒） 粒径就是旋风分离器的 x50或切割粒径，它是 一个代表具有 50%的概率被捕集的颗粒粒径。 这个颗粒粒径是旋风分离器的一个重要参数， 是旋风分离器分离性能的一个量度。 图 1 平衡轨道模型（barth 模型）原理示意图 2 性能指标 旋风分离器的性能指标主要有： 处理气量 qn，分离效率 ，压降 p。下面将分别给予 详细介绍。 2.1 处理气量 qn 旋风分离器处理气体能力的大小一般用 处理气体流量来表示。 考虑到旋风分离器在运 行过程中会产生漏气， 旋风分离器的处理气量 一般用进口和出口的气体流量平均值来进行 计算，用 qn表示，即： 2 nino n qq q + = 式中：qn为旋风分离器的处理气体流量，m3/h； qni为旋风分离器进口处气体流量，m3/h；qno 机械 2011 年第 11 期 总第 38 卷 设计与研究 11 为旋风分离器出口处气体流量，m3/h。 旋风分离器的漏风率可通过下式计算： 100% nino ni qq q = 2.2 分离效率 分离效率是旋风分离器分离性能的重要 衡量指标。 通常用总分离效率和分级分离效率 来表示。 （1）总分离效率 通常情况下， 旋风分离器的总分离效率可 以表示为： c i g g = 式中：gc为从旋风分离器排出口排出的物料 量，kg/h；gi为从旋风分离器进口进入的气流 中所含的物料量，kg/h。 总分离效率与分离器结构、颗粒性质、气 体性质和运行条件等因素有关。因此，除非入 口条件完全相同， 总分离效率用来评价旋风分 离器的分离性能具有很大的局限性。 （2）分级分离效率 分级分离效率表示的是旋风分离器对直 径为dx的颗粒的分离效率，是对某一特定直 径的颗粒而言的。 分级分离效率与总分离效率 相比，它更能说明分离器的分离性能。分级分 离效率可以表示为： 1 ccoo x iiii c xc x c xc x = 式中：ci为进入分离器的物料量，kg/h、cc 为被捕集下来的物料量，kg/h、co为逃出旋风 分离器的总物料量，kg/h；xi、xc、xo分别为 与ci、cc、co对应的粒径为dx的物料份额， 无量纲。 总分离效率与分级分离效率的关系为： xi x= 式中：xi为粒径dx的颗粒筛分份额。 3 基本结构和主要性能计算 （1）旋风分离器的结构 常规的旋风分离器结构， 一般都是由进气 管、排气管、排尘管、圆筒体和圆锥体等几个 部分组成。各部分的结构又都有多种形式，从 而又组成了各种类型的旋风分离器， 但是它们 的分离原理都是一样的， 只是在性能上有些差 异，以适应各种不同的用途。 本文计算所采用旋风分离器的物理模型 和几何结构尺寸如图2和图3所示。 图中的几 何结构尺寸参数为：a95mm，b38 mm，h 285 mm，b72.5 mm，d190 mm，de 64 mm，h760 mm，s95 mm，t55 mm。 图 2 旋风分离器 图 3 旋风分离器 物理模型 几何结构尺寸 （2）旋风分离器的主要性能计算2 旋风分离器在旋风分离器的入口结构中， 由于入口流道的收缩作用使器壁上的气体切 向速度高于入口速度。 为了考虑这个因素引入 系数，的计算公式为： 0.5 10.4()0.747 b r = = （1） 由系数和入口速度vin、入口中心的径 向位置rin和旋风分离器筒体半径r可计算出 器壁速度v为： 10.569 m/s inininin v rv r v v rr = （2） 依据相应的公式，可计算出旋风分离器 cs面上的切向速度为： h d de h a s t b b x y z 12 设计与研究 机械 2011 年第 11 期 总第 38 卷 cs cs () 24.611 m/s 1 x r v r v hr fv q = + （3） 旋风分离器cs面上的径向速度为： cs cs 1.66 m/s r x q v d h = （4） 综上，可得旋风分离器的切割粒径为： cs 50 2 cs 9 3.235 rx p vd x v =m 旋风分离器的分级效率曲线为： 6.4 50 1 ( ) 1() x x x = + （5） 如图4所示，横轴代表颗粒的粒径，纵轴 代表旋风分离器的分级效率。 由旋风分离器的 分级效率曲线可以看出， 当颗粒粒径在4.5 m 左右时，分离效率可以达到90%。 图 4 旋风分离器的分级效率曲线 4 分离性能的流场仿真分析 使用fluent软件多相流模型中的离散相 模型来分析该旋风分离器内不同直径颗粒被 筒壁捕集而停留所用的时间。 进入旋风分离器 内部的物料体系是悬浮在空气中的水滴和煤 粉的混合物， 为了便于分析将水滴的密度取为 1000 kg/m3，煤粉的密度也取为1000 kg/m3， 旋风分离器进气道的入口浓度为2.5 g（煤粉 和水的混合物）/kg（空气），旋风分离器进 气道入口速度为12 m/s。 因为煤粉表面附着水 滴后相互黏连使颗粒直径变大， 反而更易被旋 风分离器分离出来，所以，为了通过cfd验 证理论计算所得的切割粒径是否合理， 这里只 考虑纯煤粉或水滴的情况。取颗粒（煤粉、水 滴）粒径分别为3 m、4 m和5 m。 设 置 进 气 道 的 入 口 平 面 为 速 度 入 口 （velocity-inlet）边界条件，速度大小为12 m/s，设置出气管出口平面为出流（outflow） 边界条件。计算过程中，选择rng k-epsilon 双方程作为湍流模型35。fluent的流场仿真 分析结果如图5图7所示。 5 仿真计算结果分析 从图5图7中可以看出，旋风分离器排 气口出口处的4 m颗粒停留时间很短，只有 大概0.159 s，还有很多4 m的颗粒随空气一 起排出。6 m颗粒虽然也有一部分随空气通 过排气口排出，但和4 m的颗粒相比，绝大 多数6 m颗粒都在0.324 s左右停留在了旋风 分离器的筒体和锥体壁内部。而8 m的颗粒 则基本上全部停留在了旋风分离器的筒体和 锥体壁内部，没有从升气管中随空气一起排 出。仿真的结果说明6 m和8 m颗粒在旋 风分离器内部的停留时间较长， 大部分被旋风 分离器捕集，分离效率较高，基本反映了图4 分级效率曲线的变化趋势。 图 5 4 m 颗粒停留时间 图 6 6 m 颗粒停留时间 图 7 8 m 颗粒停留时间 （下转第 24 页） 10 分级效率 024 6 8 12 粒径/m 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 24 设计与研究 机械 2011 年第 11 期 总第 38 卷 3sin(3 ) 22.3615sin20cos 22 x =+ 3sin(3 ) 22.3615cos20sin 22 y =+ 式中： 2 0 3 。 回程： 153() 22.361cossin20cos 22 x =+ 153() 22.361coscos20sin 22 y =+ 式中： 5 3 。 在caxa中绘制出凸轮的平面曲线，并 在pro/e中生成三维模型，根据式（2）求出 最小曲率半径点，如图1所示。 图 1 最小曲率点 载入ansys，进行材料属性设置后网格 化，如图2所示。加载后得凸轮应力云图如图 3所示。 图 2 凸轮网格化图 图 3 凸轮应力云图 6 结论 对于凸轮这样设计相对比较精密的零件， 上述方法分别发挥caxa软件绘制平面图快 捷精密的优势和pro/e软件三维建模快速方便 的优势。ansys软件的运用充分发挥了其强 大的计算功能和分析功能， 对零件的设计与优 化提供很大的便捷度和可靠度。 该方法操作方 便快捷、模型精确、分析结果可靠，而且非常 实用，完全可以在其他行业的应用中推广。 参考文献： 1孙恒. 机械原理 （第五版） m. 北京： 高等教育出版社， 1996. 2王沫然. matlab6.0 与科学计算m. 北京： 电子工业出版 社，2001. 3王湘江. 综合运用 caxa、 pro/engineer 和 ansys 优化 设计齿轮j. cad/